环量控制飞翼翼型隐身与气动联合优化

飞翼无人机可利用主动流动控制技术取代传统舵面,避免舵面偏转产生的雷达回波,能够获得更好的隐身性能。本文面向装载环量控制器的大展弦比飞翼无人机,提出了一种兼顾气动和隐身性能的飞翼翼型联合优化方法。针对包含环量控制(Circulation control,CC)机构的二维翼型建立了基于代理模型的联合优化框架,并通过寻优求解,获得了Pareto前沿解集。选择Pareto前沿中的3个点对应的二维翼型进行了气动与隐身性能评估,数值计算结果证实了本文提出的联合优化方法的可行性。

基于变环量设计的混流泵叶轮多工况优化

由于外部运行条件频繁变化,混流泵常于非设计工况运行,导致其运行效率偏低。针对混流泵开展多工况优化以扩大其高效区范围具有重要意义。采用环量法,以轮毂及轮缘处流线方向环量的偏导数(载荷)、叶轮出口处翼展方向环量控制参数以及叶片尾缘倾角为设计参数,以设计点扬程为约束条件,以0.8、1.2倍设计点处效率为优化目标,结合实验设计、近似模型和优化算法对一导叶式混流泵叶轮进行变环量优化与分析。研究结果表明:变环量设计在混流泵叶轮的多工况优化中是有效的;轮毂处流线方向前加载,轮缘处流线方向后加载,叶轮出口处环量从轮毂到轮缘递增分布均有利于混流泵性能的提升;优化后混流泵模型在0.8、1.0、1.2倍设计流量处泵段效率分别为81.11%、88.38%和80.56%,在设计流量处扬程为12.33 m,相比于原始模型,效率分别提升0.63、3.18、6.72个百分点,而扬程变化小于2%。因此,所提出的基于变环量设计的混流泵叶轮多工况优化方法是有效的,可以为同类型叶轮机械的设计优化提供参考。

环量控制扑翼式获能器气动特性的数值研究

提出了一种采用环量控制的新型扑翼获能技术,首先对这种扑翼在不同折合频率下的获能效率进行了数值模拟,并与传统扑翼和表面施加协同射流控制扑翼的获能效率进行了对比,发现不同工况下对翼型尾缘部施加持续射流均能有效改善翼型的气动性能,使扑翼的能量转换效率显著提高,且提升幅度优于协同射流控制方法,表明该方法具有一定的开发应用潜力。此外,针对连续射流能耗较高的缺点进一步改进了射流施加策略,建立了四种不同射流喷射控制模式,对比研究了连续式、方波式、正弦式和三角波式射流模式下扣除射流能耗后采用环量控制扑翼的获能净效率,旨在以获取最高能量转换效率为目标的前提下尽可能降低射流所需能耗。不同射流模式下的能耗分析表明,连续式环量控制模式下所需能耗最高,方波式、正弦式和三角波式的能耗依次次之,因此扣除主动控制射流的能耗后,三角波式射流喷射模式下扑翼的获能净效率最高,比传统扑翼获能效率相比提升幅度最高可达22.2%,更具实际应用价值。

轴流泵装置导叶出口水流速度环量对出水流道水力损失的影响

为了定量研究大型泵装置导叶出口水流的速度环量对出水流道水力性能的影响,提出了泵装置导叶出口断面水流的速度环量定量表示方法和平均角速度的测量方法,分别采用数值计算和模型试验的方法研究了导叶出口水流的剩余环量对虹吸式出水流道和直管式出水流道水力损失的影响。结果表明:导叶出口水流的环量对出水流道水力损失的影响较为明显,存在使出水流道水力损失最小的最优环量,虹吸式和直管式出水流道的最优环量分别为0.972和1.308 m2/s;虹吸式出水流道和直管式出水流道最优环量时的水力损失计算值较零环量时的水力损失计算值分别小0.126和0.180 m。研究结果不仅有助于改进低扬程泵装置出水流道的优化水力设计,同时对改进轴流泵导叶的优化水力设计也有重要意义。

轴流泵叶轮出口轴面速度和环量的试验研究

为了研究系列高效轴流泵叶轮出口轴面速度和环量分布规律,设计了叶轮出口流场测量装置。基于流体绕流圆球理论,采用微型五孔探针对高效轴流泵叶轮出口轴面速度和环量进行了试验测量。试验结果表明,在最优工况下,系列高效轴流泵模型叶轮出口轴面速度呈二次抛物线流型,其最大值出现在叶片中部,且轮缘侧较小的轴面速度提高了汽蚀性能;系列高效轴流泵叶轮出口呈非线性环量分布规律,在轮毂侧环量稍小,在叶片中部较为平直,在轮毂侧环量降低至中部的0.8倍左右,而轮缘侧增大至1.2倍左右;同时叶轮出口轴面速度分布呈现抛物线流型,叶片中部速度最大。测量的轴面速度和环量分布数据拟合成多项式数学模型,可为轴流泵叶轮水力设计提供参考。

流量与环量对低扬程泵装置流道水头损失的交叉影响

流道水头损失与流量及环量之间的关系,是低扬程泵装置水力设计理论中对提高其水力性能的研究具有较大影响的重要问题.低扬程泵装置水泵导叶出口水流所具有的速度环量使上述关系变得复杂起来,需全面认识.研究结果表明:在无环量的条件下,进、出水流道水头损失与流量平方成正比;在Reynolds数达到阻力平方区要求的条件下,在一定转速范围内,对于不同转速下运行时的相似工况,流道水头损失与流量平方成正比,表现为泵装置效率保持不变;低扬程泵装置中设计流量时的出水流道水头损失决定于导叶出口水流的速度环量,两者之间的关系为一开口向上的曲线,存在最优环量;在低扬程泵装置变工况运行的条件下,出水流道水头损失受流量和环量的交叉影响,在水泵正常运行工况范围内,流道水头损失与流量之间呈现出接近于线性的关系,其机理有待进一步深入研究.

基于二次函数环量分配的液力变矩器叶片设计方法

提出了基于二次函数环量分配的液力变矩器叶片设计方法,并给出了应用实例。计算液力变矩器流道过流断面面积及建立三维实体模型后,与传统的等环量分配叶片设计法相比,在同等叶片加厚条件下,新方法设计出的叶形更合理,流道过流面积变化更为平缓。应用CFD软件计算了用2种方法设计叶片的液力变矩器的三维流场,基于三维流场数值解计算出液力变矩器的特性,并与传统设计方法设计的变矩器特性进行了对比分析。

明渠湍流横向涡旋的尺度与环量特征

为了分析明渠湍流中横向涡旋的尺度与动力学特征,利用自主研发的高频粒子图像测速系统测量了6种水流条件下的明渠恒定均匀流时间序列流场,使用涡旋提取方法识别涡旋,使用一套简洁客观的涡旋尺度及环量确定方法,分析了明渠湍流横向涡半径与环量的特征。涡旋的无量纲尺度与强度仅与所在位置有关,与雷诺数等其它因素均无关系。从壁面附近至对数区的上边界,涡旋的平均半径增大。受水面影响,半水深以上的涡旋半径有逐渐减小的趋势。在黏性作用下,涡旋的平均环量由壁面至水面总体呈减小趋势。时均剪切对逆向涡旋的尺度与强度均有抑制作用,其平均尺度与环量在全水深均小于正向涡。

环量控制对翼型气动特性的作用机理

环量控制能够显著提高升力,改善飞行器短距起降性能。首先从机理上分析了环量控制的作用原理,然后通过CFD数值仿真方法研究环量控制对翼型气动特性的影响规律,采用雷诺平均N-S方程,SST湍流模型,将射流口边界条件设为反映动量系数的速度入口,分别模拟了动量系数和迎角对升阻特性和附面层分离特性的影响规律。结果表明:在α=0°,Cμ=0.05时,升力增加327%,效费比ΔCy/ΔCμ为21.97;随着动量系数增加,前缘分离导致失速迎角提前,在中等动量系数和小迎角状态能够获得优良的升阻特性。

轴流泵叶轮非线性环量数学模型建立与试验

以轴流泵叶轮出口速度梯度方程和轴面速度表达式为基础,建立了轴流泵叶轮非线性环量数学模型,并推导了叶片出口流动方程式。采用微型五孔球形探针,对南水北调工程用轴流泵模型(TJ04-ZL-06)最优工况下叶轮出口不同半径位置的环量和轴面速度分别进行了试验测量。试验结果表明,高效轴流泵叶轮出口环量呈现非线性分布,在叶片中部较为平直,在轮毂侧环量降低至中部的0.8倍左右,而轮缘侧增大至中部的1.2倍左右;同时叶轮出口轴面速度分布呈现抛物线流型,叶片中部速度最大。基于建立的非线性环量数学模型对叶轮出口轴面速度分布进行了计算,结果表明不同半径的轴面速度计算值与试验值误差均小于5%,验证了数学模型的可靠性。

基于鱼体结构的仿生型液力变矩器叶片环量分配规律

提出了一种基于鱼体结构的液力变矩器叶片环量分配规律.该方法利用逆向工程方法提取了鱼类体型的元素,提出了液力变矩器各叶轮叶片的仿生多项式环量分配方案,设计出了类鱼体的仿生叶片.通过采用Smagorinsky亚格子应力模型的分离涡模拟,分别对仿生叶片和原始叶片的流道模型进行了三维流场的数值计算.结果表明:通过将原始叶片的仿真预测结果与试验结果进行对比,证明了该数值模拟方法的有效性;在不改变原始叶片的重要参数的情况下,采用仿生环量分配规律设计出的仿生叶片,可以提高液力变矩器的最高效率值,最高效率可以提高1.5%.对比分析了仿生前后的流动结构,并采用Rothalpy对比了仿生叶片与原有叶片的能量损失,结果与性能预测值相吻合,验证了研究的可行性.

外加环量作用下单油盘火旋风实验研究

利用半开放式火旋风实验装置开展了三种直径的油盘和三种外加环量的火旋风实验,应用Origin软件对数据进行分析并对比普通池火,得出不同尺寸油盘和环境流场参数条件下火旋风的火焰高度、质量燃烧速率的变化规律。提出火旋风质量燃烧速率、火焰高度的半经验线性关系式,分析预测模型与前人不同的原因。

风扇通流设计中环量分布形式的探讨

本文以时间推进通流设计方法为工具,设计了两个压比3.0级别的风扇转子,探讨了环量轴向分布形式对设计的影响。两个设计采用不同的环量分布,一为环量沿轴向线性变化,另一为环量沿轴向按余弦曲线变化,三维粘性计算结果表明,在峰值效率点,后者压比、效率和流量都高于前者。后者叶尖形成预压缩效果更为显著的叶型,对激波有更好的控制,激波后分离区小,更适合用于高负荷风扇的设计。

基于等离子体环量控制的翼型气动特性

为了研究等离子体环量控制对翼型的影响特性,采用基于唯象学的等离子体气动激励数学模型和二维雷诺平均N-S方程,选取NCCR 1510-7067N环量控制翼型,数值模拟后缘半径对升力和效费比的影响规律,并进行优化。设计最佳后缘半径模型进行低速风洞实验,获得迎角-4°~12°,速度6,10,15m/s下的压力分布和升力特性。研究表明:后缘半径过大或过小都不利于Coanda效应的产生,确定最佳后缘半径与弦长的比值为0.048,效费比97.69。低雷诺数下,随着迎角的增加,出现了层流长泡分离和短泡分离,等离子体射流不仅改善了尾部流场,还通过环量增加抑制层流分离,提高了升力。

速度环量对大型轴流泵站水力性能的影响

为了研究大型轴流泵装置内部由空化引起的有旋流动对机组水力性能的影响,基于SST(shear-stress transport)k-ω湍流模型,应用Rayleigh-Plesset模型对泵站内部空化进行描述,并用速度环量分别对非空化和空化2种状态的有旋流动进行计算,结合模型泵试验研究等方法对泵内有旋流动进行分析。比较2种工作状态下流体流动偏移角(γ),研究速度环量对水力性能影响的规律。研究结果表明:在设计工况下,扬程相对误差为3.58%,效率相对误差为3.31%,验证了湍流模型的适用性,并得到泵站装置临界空化压力(Pc)和断裂空化压力(Pf);在设计工况下,空化会增大流体流动偏移角,增大速度环量,增加内部流道水力损失;在偏离设计工况下,会增大流体流动偏移角(γ)。其中,在小流量系数条件下较大,此时空化进一步增大流动偏移角(γ),并增加由此引起的速度环量变化量以及进出口流道内部损失,使大型轴流泵站性能下降。

激励器位置影响环量控制翼型气动特性的实验研究

为了揭示介质阻挡放电等离子体环量控制翼型增升的作用机理,提高对翼型升力的控制效果,重点研究了激励器位置这一关键参数对翼型气动特性的影响规律。基于构建的风洞实验系统,在椭圆翼型NCCR1510–7067N后缘附近施加毫秒脉冲等离子体气动激励,激励器布置于上、下翼面不同位置,实验来流速度6-35m/s,来流迎角–4-12°,利用压力扫描阀获得翼型表面压力分布,积分获得升力特性,通过烟流实验呈现尾部流场特性。实验结果显示:1)激励器靠近上、下翼面分离涡时增升效果更好,其中激励器位于下翼面98.3%弦长位置,2°迎角时环量控制效费比可达108.7。2)上、下翼面激励增加翼型升力的作用机理不同,上翼面激励射流带动外流产生Coanda效应,延迟了附面层分离;下翼面射流与来流反向,起到减速增压的作用,同时诱导出与尾缘下侧分离涡同向的逆时针旋涡,两者相互耦合使得流线下偏,起到虚拟襟翼作用。3)上下翼面同时开启激励,串联射流产生更显著的Coanda效应,有效来流速度提高到35m/s,对翼型环量和升力控制效果明显增强。研究结果为等离子体环量控制选取关键参数,提高控制效果以及进一步的工程应用提供了一定的理论基础。

等环量流型高比转速混流泵内部流场数值模拟

为揭示高比转速混流泵的内部流动规律,应用商用软件F luent对其进行数值模拟。模拟中以雷诺平均N-S方程为流动控制方程,采用标准k-ε二方程模型作为修正方程,对于压力和速度耦合关系采用SIMPLE算法处理。分析了等环量流型高比转速混流泵内部的静压分布和速度分布,得出结论为:叶片进口距离轮缘较近处存在明显的负压区,叶轮与导叶体之间存在明显的动静干扰,叶轮进口处存在轻微的流动冲击,但是并没有影响流体的整体流动。通过分析,揭示了高比转速混流泵内部流动规律,为其性能改进提供了依据。

等离子体环量控制翼型增升的实验研究

利用等离子体激励器发展了新型的环量增升技术,并对二维NACA0012翼型绕流实施控制.由于NACA0012翼型为尖后缘构型,环量增升装置由2个非对称型介质阻挡放电等离子体激励器构成.一个等离子体激励器贴附于翼型吸力面靠近后缘处,其诱导的壁面射流沿来流方向指向下游;另一个等离子体激励器贴附于翼型压力面靠近后缘处,其诱导的壁面射流与来流方向相反指向上游.在风洞中通过时间解析二维PIV系统对翼型绕流流场进行了测量,基于翼型弦长的雷诺数Re=20000.结果表明在等离子体激励器的控制下,翼型压力面靠近后缘处可以形成一个定常回流区,从而起到虚拟气动外形的作用,因此翼型吸力面的流场得到加速,压力面的流场得到减速,使得翼型压力面的吸力以及压力面的压力都得到增加,进而增加了翼型的环量.风洞天平测力实验进一步验证了该环量增升技术的有效性.在整个攻角范围内,施加控制的翼型的升力系数相比没有控制的工况有明显的提高.

立轴旋涡的环量分析

环量是形成立轴旋涡的主要影响因素,对环量进行定量分析,有助于进一步了解旋涡的生成规律和消除原因,目前这方面的研究成果不多。某工程溢洪道进口试验产生立轴旋涡,导致水位抬高,不能满足泄洪要求,通过设置防涡墩消除了旋涡;对这有无防涡墩两种情况进行数值模拟,分析环量的变化规律,计算和试验较为吻合。结果表明:串通旋涡稳定后,水面的环量随积分曲线半径增大而增大,水气交界面的环量则随高程降低而减小;旋涡形成过程中水面的环量逐渐增大,旋涡稳定后环量也基本不变;防涡墩的存在阻碍水流旋转,使得环量大幅度降低,可有效地消除立轴旋涡。

船舶螺旋桨叶片环量的数值优化

螺旋桨叶片环量分布的优化问题是船舶螺旋桨理论设计中的重要课题 ,以往的求螺旋桨叶片最佳环量分布的方法多基于Betz条件 ,因而只对均匀来流的情况是正确的 .利用螺旋的升力线模型和变分法原理对螺旋桨叶片环量分布进行了数值优化 .优化可分别在给定推力负荷系数和给定功率负荷系数的情况下进行 .数值优化计算中计入了粘性影响和来流的径向非均匀性 ,并以采用镜像涡的方式考虑了桨毂的影响 .在文中计算的各种情况下都得到了合理的优化结果 .